انقلابی در تولید مواد شیمیایی با انرژی خورشیدی و دی اکسید کربن

4 نوامبر 2024

هدف پروژه تحقیقاتی FlowPhotoChem جذب دی اکسید کربن و نور خورشید برای تولید مواد شیمیایی و جایگزینی سوخت های فسیلی مضر است.

FlowPhotoChem یک پروژه تحقیقاتی چندملیتی با بودجه اتحادیه اروپا است که راه های بهتری برای تولید مواد شیمیایی با استفاده از دی اکسید کربن (CO2) و نور خورشید ایجاد می کند. پتانسیل زیادی برای جایگزینی بسیاری از سوخت‌های فسیلی که امروزه برای تولید سوخت و مواد شیمیایی مفید استفاده می‌شود، با استفاده از انرژی خورشیدی و کاتالیزورهای پیشرفته برای تبدیل CO2 به، به عنوان مثال، اتیلن، به عنوان پیش‌ساز پلاستیک‌ها وجود دارد.

شرکای FlowPhotoChem (FPC) با ترکیب نور شدید خورشید، مجموعه مدولار از سه نوع راکتور شیمیایی جریان، کاتالیزورهای جدید ارزان‌تر و بادوام‌تر از بهترین کاتالیزورهای امروزی و مدل‌سازی کامپیوتری گسترده برای پیکربندی، بهینه‌سازی و مدیریت راکتورها به این مهم دست یافتند. راکتورهای جریان، راکتورهای شیمیایی هستند که در آن واکنش به طور مداوم با جریان مواد خام و محصولات به داخل و خارج از محفظه‌های واکنش ادامه می‌یابد.

سیستم یکپارچه FlowPhotoChem دارای آرایش سریالی از یک راکتور فوتوالکتروشیمیایی (PEC)، یک فوتوکاتالیستی (PC) و یک راکتور الکتروشیمیایی (EC) است. توسعه رآکتورهای منفرد از دیدگاه مدلسازی سیستم هدایت شد. یک مدل سیستم با استفاده از مدل های راکتور ساده شده ایجاد شد. این به تیم اجازه داد تا راه‌هایی را برای بهبود بازده انرژی خورشیدی به اتیلن و نرخ تولید در سطوح راکتور و سیستم شناسایی کنند.

نتایج تجربی آزمایش سیستم یکپارچه در شبیه‌ساز خورشیدی با شار بالا (HFSS) در DLR برای اعتبارسنجی و اصلاح مدل‌های سیستم، که مبنای ارزشمندی برای توسعه بیشتر رویکرد FPC مدولار است، استفاده شد.

محققان در مؤسسه سوخت‌های آینده DLR، دو کمپین آزمایشی را در HFSS، پس از ایجاد استراتژی‌های تابش مناسب و اپتیک‌های اضافی برای راکتورهای نور محور، و همچنین طراحی یک مجموعه آزمایشی با تمام اجزای مورد نیاز برای عملکرد انعطاف‌پذیر و ایمن، انجام دادند.

در ابتدا، راکتور PC در مقیاس متوسط ​​از دانشگاه پلی تکنیک والنسیا (UPV) زیر 80 خورشید آزمایش شد و تولید مونوکسید کربن خورشیدی را از طریق واکنش تغییر معکوس آب-گاز تأیید کرد. در کمپین دوم، سیستم یکپارچه FPC برای تولید اتیلن به روش سبز از آب، دی اکسید کربن و نور خورشید استفاده شد.

در این آزمایش‌ها، راکتور PEC از EPFL/SoHHytec با استفاده از نور مصنوعی غلیظ 400 برابر تابش شد، در حالی که یک راکتور PC بهبود یافته از UPV اقتباس شده توسط DLR برای عملکرد تحت فشار دوباره تا 80 خورشید دریافت کرد. فرض بر این بود که ورودی الکتریکی راکتور EC از eChemicles/دانشگاه Szeged توسط ماژول‌های PV تولید می‌شود.

بر اساس نتایج کمپین آزمایشی و پیشرفت‌های پیش‌بینی‌شده در ادغام راکتورها، تیم پتانسیل رسیدن به راندمان تبدیل خورشیدی به اتیلن را 4.4 درصد تخمین زد. با در نظر گرفتن سایر محصولات C2+ مانند اتانول، پروپانول و استات، راندمان بیش از 5٪ است، در حالی که با احتساب همه محصولات مانند هیدروژن و متان، بازده کلی خورشیدی به شیمیایی به بیش از 10٪ می رسد.

افزایش تصاعدی میزان انرژی های تجدیدپذیر و سوخت های اجرا شده در سطح جهان به شدت مورد نیاز است. دسترسی به انرژی سبز و مقرون به صرفه در انتقال عادلانه انرژی در سراسر جهان یک امر ضروری است و برنامه های همکاری فعال بین سهامداران اروپایی و آفریقایی می تواند محرک روشنی برای حمایت از این وظیفه چالش برانگیز باشد.

در 10 تا 11 سپتامبر در کامپالا، اوگاندا، FlowPhotoChem یک کارگاه ترکیبی برای به اشتراک گذاشتن مفهوم و نتایج سیستم راکتور جریان مدولار و ایجاد شبکه با واحدهای صنعتی آفریقایی که در موقعیتی برای بهره‌برداری از یافته‌ها و پیشبرد فناوری بودند، ترتیب داد. بیش از 100 نماینده در نشست ترکیبی که توسط دانشگاه کیامبوگو برگزار شد، شرکت کردند.

تسهیل کنندگان جلسه شامل شرکای FlowPhotoChem و سخنرانان دعوت شده از آفریقا و اروپا بودند. برخی مطالعات موردی موفق در حوزه‌های تحقیقاتی انرژی‌های تجدیدپذیر و سوخت‌ها را به نمایش گذاشتند و مزایا و چالش‌های کلیدی را که در طول طراحی و اجرای پروژه‌های مطالعه موردی با آن مواجه شد، به اشتراک گذاشتند. دیگران خروجی های کلیدی پروژه های تحقیقاتی را در مراحل مختلف توسعه فناوری نشان دادند و فرصت هایی را برای تامین مالی و ایده های جدید برای همکاری ارائه کردند.

دکتر جاستوس ماسا از دانشگاه کیامبوگو به مزایای کار با FlowPhotoChem پرداخت. او گفت: «حمایتی که دریافت کردم به ما امکان داد زیرساخت های تحقیقاتی و کیفیت کلی ارائه تحقیقات را بهبود بخشیم. از طریق همکاری هایی که از کنسرسیوم وجود دارد، امکان انجام آزمایشاتی فراهم شد که قبلاً قادر به انجام آن نبودیم.ما همچنین توانستیم چند همکاری پایدار برقرار کنیم. به عنوان مثال، ما یک تفاهم نامه امضا کردیم.

دکتر Jelena Stojadinovic، مدیر عامل و بنیانگذار MEMBRASENZ، گفت: “همکاری ما با شرکای مشهور پروژه به ما کمک کرد تا مواد غشایی با کارایی بالا و استراتژی های بهره برداری از محصولات جدید را شناسایی کنیم.”

دکتر Urša Podbevšek، دانشمند تحقیقاتی در Johnson-Matthey نیز این پروژه را ستایش کرد و اظهار داشت: «شرکت در پروژه FlowPhotoChem بسیار سودمند بوده است. این ما را قادر ساخت تا فرصت ها را در زمینه سوخت های خورشیدی و فضای شیمیایی ارزیابی کنیم. مزایای فنی اصلی شامل توسعه کاتالیزورها و الکترودها برای کاهش الکتروشیمیایی دی اکسید کربن و مونوکسید کربن و همچنین توسعه قابلیت هایی برای آزمایش این مواد در الکترولیزها بود.